2019-05-14 20:04:02
生活在我们海洋中的营养检测超级英雄

和大的海洋细菌有一个相当简单的存在 - 吃,分,重复。但第一步并不总是直截了当。海洋中有很多营养成分,但对于微观生物来说,没有Uber Eats。他们必须找到他们的食物,而且并不总是在他们的手臂上。

我们已经知道很长一段时间,一些细菌能够通过游泳和化学检测相结合来追踪食物,但直到现在我们还不知道它们有多好。

由墨尔本大学的Douglas Brumley博士和苏黎世联邦理工学院的Francesco Carrara博士领导的国际团队观察并模拟了细菌中的“趋化性”,发现一种常见的海洋细菌可以找到接近理论极限的营养素来源检测。

“海洋中细菌的食物来源是零散且充满活力的,就像人类一样,”数学与统计学院应用数学讲师布鲁姆利博士说。

“人类走向咖啡馆,餐馆和超市以寻找食物。如果你不在有食物的地方,你就没有得到好处。你必须能够走向它。”

细菌对海洋生态系统至关重要,是海洋食物网的基础。它们吸收在水中漂浮的营养物质,然后被较大的浮游生物吃掉,这些浮游生物又被甲壳类动物和小鱼吞噬,等等。

“细菌对于海洋养分循环非常重要,但一个主要的挑战是弄清楚他们吃了多少。这不是一个容易回答的问题,但我们的研究结果指出了前进的方向,”研究报告的共同作者Andrew Hein博士说。 ,来自加州大学圣克鲁兹分校。

食物源可能突然突然出现,例如当微藻细胞破裂时,将其富含营养的内容物释放到水中。这会在源头附近留下高浓度的营养物质,并且进一步远离低浓度 - 科学家称之为浓度梯度。

一些细菌已经进化出使用毛发状鞭毛游泳的能力,以及感知化学梯度的能力。

“许多细菌执行一个叫做趋化性的过程,使它们能够检测出化学物质的气味,并向化合物的来源移动,”布鲁姆博士说。

“趋化过程存在于各种环境中,甚至口腔中的细菌也会对牙齿和牙菌斑中的化学物质产生反应,并可以向这些化学物质方向发展。”

趋化性已经在实验室中进行了广泛的研究 - 最着名和研究最深入的肠道细菌大肠杆菌是趋化性的 - 但布鲁姆利博士说,在许多情况下,研究并不能准确地复制海洋中发生的事情。

“通常认为养分梯度要么稳定,要么非常强,因此细菌很容易导航。但在一系列现实条件下,梯度非常非常微弱,几乎是平坦的,因此很难或无法检测到,“ 他说。

“没有多少人问过这个问题:你需要从这个小食品包装到目前为止能够检测到并对其作出反应还需要多远?”布鲁姆利博士说。

“描述细菌反应非常重要,特别是在营养通常很稀疏的海洋中。”

来自苏黎世联邦理工学院,加州大学圣克鲁兹分校,筑波大学和普林斯顿大学的Brumley博士及其同事进行了实验观察和模拟细菌如何对突然出现的营养源做出反应,并在PNAS杂志上发表了他们的研究结果。

他们将丰富的海洋细菌Vibrio ordalii与一种常见的氨基酸和有效的化学引诱剂谷氨酸配对。

“这代表了探索海洋细菌对短暂营养斑块的物理和化学反应的优秀模型系统,”苏黎世联邦理工学院罗曼斯托克教授研究员卡拉拉博士说。

当实验开始时,细菌被谷氨酸包围,但它们是不可见的,因为谷氨酸与所谓的“笼状”形式的另一个分子相连。微观的目标光脉冲在实验室中的单个点释放谷氨酸,然后比赛开启。

“这就像你在黑暗中走过一家超市。你不知道你周围的食物丰富。突然有人打开聚光灯,非常精确地照在某个架子上,”卡拉拉博士说。

研究人员使用连接到显微镜的摄像机记录细菌,然后使用图像处理来跟踪单个细菌细胞的运动。在一次实验中,他们将收集多达100万个轨迹。

布鲁姆利博士解释说,细菌通过玩儿童游戏“炎热和寒冷”来寻找营养。

“他们一起游泳,如果他们发现梯度是积极的并且他们正在接受更多的营养,那么他们就会继续前进。另一方面,如果他们发现事情变得更糟,那么他们看到的化学物质浓度较低他们感兴趣的是,他们以一种新的随机方向前进。“

这个过程效率稍低,因为细菌的记忆时间很短,但细菌很容易在非常强的营养梯度上磨合。然而,当梯度较弱时,细菌会误读梯度并朝错误的方向前进。

研究小组创建了数学模型来计算这些细菌可以找到营养源的精确度。事实证明,这种特殊的细菌非常善于检测营养素。

“即使有所有的噪声源,包括细胞中的分子信号噪声,行为噪音和鞭毛,细胞的运作也相对接近基本的理论极限,”布鲁姆博士说。

斯托克教授说,人们早就知道海洋细菌是非常好的游泳运动员。

“他们通常以每秒50至100个体长的速度游泳,相对来说 - 比100米冲刺中的世界记录要快得多,”他说。

“我们的工作表明,它们不仅速度快,而且还非常精确地利用动力来寻找海洋中常常稀缺的营养源。”

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